基于高速公路噪聲頻譜特性的復合聲屏障技術應用

陳宗娟,王昭月,隆燕妮,李鵬沖

(廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

高速公路的建設大大提高了人們出行的便捷度,帶動了地方經濟的發展,但同時也給臨路的居民造成了噪聲困擾。路邊設立聲屏障具有節約土地、降噪明顯等優勢,是高速公路降噪措施的首選。

高速公路噪聲來源于車輛發動機、輪胎與路面的摩擦等,具有一定規律的頻譜特性。頻譜指的是各頻率下的A聲級大小分布情況。明確高速公路噪聲峰值所處的頻率范圍和影響因素,才能有針對性地設計具有對應頻譜降噪特點的聲屏障。影響高速公路頻譜特性的因素普遍認為是車速、車型比、車流量和路面構造[1]。高速公路車輛對高速公路的噪聲貢獻較大的聲能量頻段為63～2 000 Hz,車速增大時,噪聲強度增加,聲能量頻段也向高頻移動[2]。小型車的噪聲能量主要集中在1 000～2 000 Hz,而中型車的噪聲能量主要集中在500～2 000 Hz,對于大型車速度>60 km/h時,噪聲能量主要分布在1 000 Hz以下的頻率范圍內,車流量越大聲壓級越大[3-4]。故基于高速公路頻譜特性——中低頻范圍的高效降噪的聲屏障更適合高速公路噪聲降噪。

李云濤等[5]采用工業廢渣作為聲屏障基本原料,使用膠凝溶劑高溫聚合成微粒吸聲材料,通過性能測試驗證,該材料在200～5 000 Hz頻段內具有良好的吸聲效果,兼具耐腐蝕、耐潮濕、防積水的特點,適合廣西濕熱多雨的環境使用。基于以上理論研究,本文對聲屏障進行深入設計,將“吸聲面板+空腔結構+金屬隔聲背板”一體化成型的復合聲屏障技術應用于實際項目,通過實際案例探究基于高速公路頻譜特性的復合聲屏障技術在廣西高速公路上的應用效果。

1 聲屏障材料結構設計及應用設置

1.1 聲屏障降噪原理及材料結構設計

汽車所發出的噪聲遇到聲屏障后,一部分從聲屏障頂端繞射至受聲點(繞射聲),一部分穿透聲屏障到達受聲點(透射聲),一部分在聲屏障和車外殼或對向聲屏障之間多次反射再傳至受聲點(反射聲)。聲屏障的降噪效果主要由以上三條路徑的能量分配決定[6]。在聲屏障設計中,通過增加聲屏障高度和頂部設計來減小繞射聲的影響;通過增加聲屏障面板密度或厚度來減小透射聲,增加聲屏障的隔聲能力;通過在聲屏障靠路側附加吸聲結構(如穿孔板、空腔共振等)來減小反射聲[7]。高速公路常途經村莊、涵洞或隧道,常出現多輛大車并行或兩側平行聲屏障的情況,此時汽車產生的噪聲聲波容易在聲屏障與車、車與車之間不斷反射,導致道路噪聲大且影響路邊居民生活。因此采用“吸聲面板+空腔結構+金屬隔聲背板”一體化成型的復合型聲屏障技術,兼具吸聲、隔聲特點,在保證基本隔聲效果的同時減小反射聲的產生,有利于高速公路噪聲控制。

聚合微粒吸聲材料技術在中低頻范圍內具有良好的吸聲性能(吸聲系數>0.6),是一項具有中低頻高效吸聲的多孔材料,孔隙率最高可達35%。聚合微粒吸聲板內部具有相互貫通的縫隙,聲波入射時,一部分聲能被反射,另一部分聲能在孔隙間轉化為熱量進而達到“吸聲”的作用[8]。

因此,綜合以往研究成果,選用30～50目粒徑聚合微粒板作為吸聲面板,搭配70 mm空腔組合的吸聲結構來實現高速公路噪聲的中低頻吸聲作用。聲屏障背部采用1 mm鍍鋅板提高整體隔聲效果,單塊屏體的長×寬×厚尺寸為1 960 mm×500 mm×80 mm。吸聲面板、空腔結構與鍍鋅板之間采用一體式結構(圖1),增加整個構建的整體性,方便施工安裝。

圖1 聲屏障實際應用成品圖及結構圖

1.2 聲屏障應用設置

蘭州至海口高速公路廣西欽州至北海段改擴建項目位于廣西欽州市、北海市境內,主線總里程為112 km,北海支線總里程為28 km。項目于2019年9月底開工,2022年8月通車。

根據項目環境影響評價文件可知,項目運營后,北海支線的沿線集中居民區普遍出現聲環境質量超標的現象。本研究選定北海支線附近包家塘村設置復合吸聲屏障,聲屏障長度為1 045 m,高度為3 m。設置點位如圖2所示。

圖2 聲屏障設點布置圖

2 效果驗證方法

2.1 材料隔聲量和吸聲系數評價

依據《聲學建筑和建筑構件隔聲量測量 第3部分:建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》(GB/T 19889.3-2005)和《聲學 混響室吸聲測量》(GB/T 20247-2006)的方法,測量聚合微粒聲屏障在各頻段的隔聲量及吸聲系數。

2.2 插入損失的測量

聲屏障的降噪效果一般用插入損失來評價。根據《聲屏障聲學設計和技術規范》(HJT90-2004)中的間接法對復合聲屏障的插入損失進行測量。

取聲屏障附近一臨路點位模擬測量聲屏障安裝前的噪聲狀況,另取一聲屏障后方點位作為聲屏障后方受聲點,測量點位如圖3所示。根據式(1)對聲屏障插入損失進行計算:

(a)空白對照點

IL=(Lref,a-Lref,b)-(Lr,a-Lr,b)

(1)

式中:Lref,b——在等效場所參考點處測量的聲屏障安裝前的A聲級(dB);

Lr,b——在等效場所受聲點處測量的聲屏障安裝前的A聲級(dB);

Lref,a——聲屏障安裝后參考點處的A聲級(dB);

Lr,a——聲屏障安裝后受聲點的A聲級(dB)。

同時對空白對照點及聲屏障后方受聲點進行連續的1/1頻譜監測,對比有、無聲屏障時的頻譜特點。

2.3 居民住宅的噪聲影響驗證

按照《聲環境質量標準》(GB3096)要求開展監測。取包家塘臨路1排3處房屋作為聲屏障效果驗證點,分別命名為“包家塘1”“包家塘2”“包家塘3”,此3處點位分別靠近聲屏障起始點、中部及尾部。臨路一排的房屋建筑最易受到交通噪聲的影響,也是聲屏障的主要保護對象。在此3處點位的監測截面圖如下頁圖4所示。另取聲屏障外一點作為對照點,模擬聲屏障安裝前的噪聲狀況。

(a)包家塘1

3 結果及討論

3.1 聲屏障隔聲量和吸聲系數表征

吸聲系數α為吸收聲能與入射聲能之比,評價聲屏障整體效果通常采用降噪系數NRC和計權隔聲量Rw來表示。復合聲屏障隔聲量及吸聲系數表征結果如表1所示。由表1可見,隨著頻率的增加,聲屏障隔聲量逐漸提高,吸聲系數先升高后下降,在315～1 600 Hz之間的吸聲系數均>0.6。聲屏障吸聲系數峰值為1.03,對應的頻率為630 Hz。

表1 聲屏障的隔聲量和吸聲系數計算結果表

根據《建筑隔聲評價標準》(GB/T 50121)評價計權隔聲量,結果為Rw=33 dB。經過250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz四個頻帶吸聲系數的平均值計算得到復合聲屏障的降噪系數(NRC),結果為NRC=0.7。該復合聲屏障技術的聲學性能遠超過《公路聲屏障 第4部分:聲學材料技術要求及檢測方法》(JT/T 646.4)所規定的聲屏障降噪系數NRC>0.6,隔聲量≥26 dB的要求,說明該結構設計的復合聲屏障技術符合國家對聲屏障材料的要求,可投入實際工程進行運用。

3.2 插入損失的測量

在兩種車流量情況下,用間接法測量復合聲屏障在各頻率下的插入損失。車流量分別為工況一(大、中、小車流量分別為126輛/h、58輛/h、672輛/h)及工況二(大、中、小車流量分別為106輛/h、74輛/h、886輛/h)。插入損失測量結果如圖5所示。

圖5 復合聲屏障在各頻率下的插入損失測量結果曲線圖

由圖5可知,在16～125 Hz的低頻區,聲屏障插入損失在0～4 dB左右;在125～2 000 Hz的中低頻區間內,插入損失為4～9.5 dB左右;在2 000～6 000 Hz的中高頻區間內插入損失在0～8 dB左右;當頻率>6 000 Hz時,插入損失為負值,出現聲壓級增加的現象。在2 000 Hz以下的中低頻范圍,復合聲屏障技術具有良好的降噪效果,插入損失峰值位于500 Hz和2 000 Hz處,分別為9.5 dB和8 dB左右,說明復合聲屏障對中低頻的噪聲具有顯著的降噪效果。本研究設計的聲屏障在安裝后達到了針對中頻噪聲降噪的設計預期,甚至在2 000～6 000 Hz的中高頻也有顯著的降噪效果。

車流量小幅度變化,未明顯改變聲屏障插入損失在各頻率上的分布情況,說明聲屏障選材及空間組成結構為決定聲屏障插入損失的主要控制因素,車流量、車型比等交通變化情況僅使各頻段插入損失小幅度波動。在頻率>6 000 Hz時,聲屏障插入損失出現負值(-6 dB),可能是由于間接法測量導致的誤差[9],但高頻噪聲往往不是主要的高速公路噪聲的主要貢獻者,其略微增加對總體交通噪聲影響不大。

同時,對空白對照點及聲屏障后方受聲點連續頻譜監測,得到20 min內對照點及聲屏障后方的頻譜特性,結果見圖6。由圖6直觀地表現出復合聲屏障技術在63～4 000 Hz范圍內具有明顯的降噪作用,尤其在250～2 000 Hz的中低頻范圍內,A聲級降低幅度最大(插入損失在5～10 dB左右),同樣也證明了在實際應用中復合聲屏障技術基于中低頻的同頻降噪作用,與高速公路頻譜特性相吻合。

(a)工況一

3.3 居民住宅的噪聲影響驗證

聲屏障建設后,本研究對包家塘1、包家塘2、包家塘3的點位進行晝間現場監測的結果如表2所示。以對照點模擬未設立聲屏障時的居民區受交通噪聲影響下的環境噪聲值,以住宅對照值和居民樓實測值的差值為聲屏障對住宅的降噪效果。

表2 居民區噪聲值實測結果表

由表2各點位的監測結果對比表明,經過聲屏障的降噪作用,噪聲值在實際居民樓可降低4.2～11.1 dB,比普遍聲屏障降噪效果更好(3～5 dB)[10-11],這也與敏感點具體方位、建筑物形態、聲屏障實際建設效果等因素有關。不少聲屏障存在明顯縫隙,如燈柱與聲屏障結合處、聲屏障與橋欄板頂面之間、預留通道門(逃生出口)縫隙等,聲屏障的縫隙或破損會導致聲屏障實際插入損失降低[12]。總體來說,復合聲屏障的設置進一步優化了高速公路臨路村莊(特別是臨路一排居民樓)的噪聲環境,復合聲屏障具有降噪作用明顯,兼具環境美觀特點。

4 結語

(1)采用30～50目粒徑、8 mm厚度面板與70 mm空腔組合的復合聲屏障技術在315～1 600 Hz之間的吸聲系數均>0.6,計權隔聲量Rw=33 dB,降噪系數NRC=0.7。

(2)實地測量結果表示,在2 000 Hz以下的中低頻范圍,復合聲屏障插入損失為4～9.5 dB,插入損失峰值位于500 Hz和2 000 Hz處,分別為9.5 dB和8 dB左右。本研究設計的聲屏障在安裝后達到了針對中頻高速公路頻譜同頻降噪的設計預期,甚至在2 000～6 000 Hz的中高頻也有顯著的降噪效果。

(3)臨路村莊加設聲屏障后,居民樓具有4.2～11.1 dB的降噪作用,復合聲屏障技術對于臨路住宅區的聲環境起到明顯優化作用。